(同济大学测量学课件)第02章_水准测量

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,测量学,同济大学 测量与国土信息工程系,1,第二章 水准测量,第二章 水准测量,水准测量原理,水准测量的方法与成果整理,水准仪轴线的检验与校正,精密水准仪和电子水准仪,学习要点,2,第二章水准测量,2-1,高程测量概述,一、高程及高程测量,二、高程测量方法,三、水准测量等级,3,1.,地面点的高程,一、地面点的高程,相对高程,如标高,(,多用于建筑施工,),绝对高程,地面点沿铅垂线到大地水准面的距离。,4,高程测量,测定地面点高程的工作,二、高程测量的方法,1,、水准测量,用水准仪进行高程测量的工作。,是高程测量的主要方法,使用仪器：,水准仪,水准仪的主要功能是能指出一条水平视线。,2,、其他高程测量方法：,三角高程测量、,GPS,测量等,5,2.,高程系统与高程基准,我国国家,高程系统：黄海高程系,我国国家,高程基准：,1985,年,国家,高程基准,我国取青岛附近黄海平均海水面为大地水准面；,人为而定，相对稳定,(,我国,1956,年取前,6,年的平,均潮位作为大地水准面；,1985,年取,1953,年,1979,年共,26,年观测的,平均潮位作为大地水准面,),；,水准原点,建在青岛市内，作为我国的国家高程,基准。,1956,年高程基准的高程为,72.289,米，,1985,年高程基准的高程为,72.260,米。,上海地区高程系统：吴淞高程系,三、高程系统与高程基准,H,吴,=H,黄,-1,.,6008,（,1985,）,6,3.4.,高程系统、等级,四、水准测量的等级,分一、二、三、四等（按精度要求、控制范围）,一等,水准测量,:,仅在国家等级中存在,作为国家的高程控制,建立统一的高程基准,;,科学研究,(,地壳形变、地面沉降、精密测量）,二等,水准测量,:,作为大城市的高程控制；地面沉降；精密工程测量,三、四等,水准测量,:,作为小地区的高程控制；普通工程测量,图根水准（普通水准）,7,2-2,水准测量原理,要求：测量,A,，,B,两点间的高差,h,思路：,在,A,，,B,上,竖立标尺，,用水准仪指示一条水平视线,该视线在两尺上截得读数,a,和,b,则,A,、,B,的高差：,注,：,高差,有正有负,8,水准仪的主要轴线,：,望远镜视准轴,（俗称视线），用于观察尺子，读取读数,水准管轴,，水准管是水平状态指示器。用于把其轴置平,仪器要求这两个轴平行。从而可以借助水准器把视线置平,9,水准测量原理,当,D,a,=D,b,时，,中间法,考虑水准面弯曲,10,2.,连续安置水准仪的测量方法,连续安置水准仪的测量方法,两点间距离较长或高差较大时，在两点间设若,干,转点,，分段测量高差，取各分段高差的总和。,h,AB,=h,1,+ h,2,+,.,+,h,n,=(,a,1,-b,1,)+(a,2,-b,2,)+,.,+(a,n,-b,n,),=,a-b,h,AB,11,一,.,水准测量的仪器与工具,2-3,水准尺和的水准仪,一、水准尺、尺垫,直尺,：,双面,(,黑、红,),水准尺，,尺常数,4.687m,、,4.787m,，,用,于三等以下水准路线测量。,塔尺,：,可伸缩，伸足为,3,米、,5,米，用于一般工程测量。,尺垫,：,转点立尺用。,12,2.,水准仪,二、水准仪,等级,(,精度系列,),：,DS05 DS1 DS3 DS10,型号下标：毫米数，,表示,1,公里往、返测量的高差平,均值的中误差,(,由于仪器引,起的,),。,构造,：,望远镜,水准器,支架,基座,S3,水准仪外型,13,一般的望远镜只需望远，不需瞄准。,所以有物镜，目镜（加调焦镜）即可,。,测量望远镜要能瞄准。,所以要有,十字丝,。目标的象与十字丝重合即瞄准。,14,望远镜与视差,望远镜与视差,测量望远镜及十字丝,上丝,下丝,竖丝,横丝,望远镜的十字丝,15,视准轴：十字丝分划中心与物镜光心的连线。,物镜的作用：把目标成象（拉近）。,目镜的作用：把十字丝（和目标象）放大。,十字丝固定不动。为了让仪器适用于不同视力的人，目镜可以前后调节，称为,目镜调焦,。,调焦镜的作用：使远近不同的目标都能成象于十字丝面上。移动调焦镜称为,物镜调焦,。,视差：,如果目标象没有落在十字丝面上，则当观测员的眼睛上下左右移动时，会感到目标象与十字丝之间有相对错动。这种现象称为视差。视差影响瞄准的精度。物镜调焦可以,消除视差,。,测量望远镜,16,视差,视差：,望远镜内目标像与十字丝分划板未重合。,现象：,观测时，改变眼睛与目镜的相对位置，,十字丝与目标的像,有相对移动,。,消除视差的步骤：,目镜调焦，使十字丝最清晰；,物镜调焦，使目标像最清晰，且无视差。,17,水准器,（,1,）圆水准器 灵敏度,8/2mm,用于仪器粗平,（,2,）管水准器 灵敏度,20/2mm,用于仪器精平,水准器,18,水准器分圆形和管形两种,管水准器是个玻璃容器，其纵剖面上内侧呈圆弧形。刻划线对称中点处的切线就是水准管轴。,“,气泡居中,”,即水准管轴水平。,圆水准器是个玻璃容器，上面有同心圆的刻划。上盖的内表面是圆球形，同心圆圆心处的曲率半径就是圆水准器的轴。,“,气泡居中,”,即水准器的轴垂直。,水准管,圆水准器,19,水准管的精度：,管子内壁光滑，液体与内壁的附着力小，则气泡对倾斜反映的灵敏度高,曲率半径大，格值小则精度高,气泡长，两端清晰，读数误差小则精度高,格值,是相邻分划线之间的弧所对的圆心角。设弧长为,2,毫米，曲率半径为,R,毫米，则格值,一般 秒,20,符合棱镜系统,把水准气泡两端成象在一起便于观察。,若直接用肉眼观察则,因为玻璃有厚度，斜视时会产生视差,要同时观察气泡的两端才能判断气泡是否居中,用,符合棱镜系统,观察，可以避免上述缺点。,判断“,气泡居中,”,的精度约可提高一倍。,观察窗,21,三、水准仪的使用,1,、,安置：,用连接螺旋把仪器固定在三脚架上,2,、粗平：,使三脚架架头大致水平,;,转动脚螺旋使圆水准器的气泡居中,3,、,瞄准,调节目镜：,照准明亮的物体（如白墙）调节目镜,使之适合自己的视力（,十字丝最清晰,）；,粗瞄准,：转动仪器，利用望远镜外壳上的准星瞄准目标；,精确瞄准,：,转动调焦,螺旋使目标象清晰，直至无,“,视差,”,。,用微动螺旋 慢慢转动望远镜，直至精确瞄准目标为止（,十字丝的纵丝靠近,水准尺,）,4,、,精平,用微倾螺旋使水准管气泡居中,（,符合气泡符合）,5,、,读数,用十字丝的横丝在水准尺上读数（先读毫米数，然后米，分米，厘米数。每次读四位数，,“,0,”,也 是必须记录的数字。）,22,水准管的校正螺丝像片,圆水准管,脚,螺旋,粗平,用连接螺旋把仪器固定在三脚架上，固定两个脚架，动第三个脚架，使三脚架架头大致水平,;,转动脚使螺旋圆水准器的气泡居中,23,2,、粗平,（左手拇指法则）,24,调节目镜：,照准明亮的物体（如白墙）调节目镜,使之适合自己的视力（,十字丝最清晰,）；,粗瞄准,：转动仪器，利用望远镜外壳上的准星瞄准目标；,精确瞄准,：,转动调焦,螺旋使目标象清晰，检查有无,“,视差,”,（消除视差）。,用微动螺旋 慢慢转动望远镜，直至精确瞄准目标为止（,十字丝的纵丝靠近,水准尺,）,3,、瞄准,25,水准管的校正螺丝像片,目镜,缺口,26,视差,视差：,望远镜内目标像与十字丝分划板未重合。,现象：,观测时，改变眼睛与目镜的相对位置，,十字丝与目标的像,有相对移动,。,消除视差的步骤：,目镜调焦，使十字丝最清晰；,物镜调焦，使目标像最清晰，且无视差。,27,符合棱镜系统,把水准气泡两端成象在一起便于观察。用,符合棱镜系统,观察，可以避免上述缺点。,判断“,气泡居中,”,的精度约可提高一倍。,调节微倾螺旋，使气泡吻合成一个完整的抛物线,观察窗,4,、精平,28,（普通水准尺）,水准尺的分划不是线划式而是,区格式,的。区格的边缘是分划的位置，区格内的,小数,即毫米,“,估读,”,。,区格式分划,便于从远处观察并读数。,5,、读数,29,b,c,瞄准与读数,水准测量的瞄准与读数,a,d,b,a,0.725,6.252,1.533,30,自动安平水准仪原图,四、,自动安平水准仪,（一）自动安平水准仪的特点,1,、没有水准管和微倾螺旋；望远镜和支架连成一体,2,、测量时，只需粗平,31,自动安平水准仪原图,（二）,自动安平水准仪基本原理,32,2.,自动安平补偿器结构,自动安平补偿器结构,33,两个摆动棱镜的,补偿器,两个直角棱镜是补偿器的摆动部分。镜筒倾斜时水平光线与其竖平面不正交，从而使光线在棱镜系统中产生折射，最后把水平光线导至十字丝中心。,34,Koni007,自动安平水准仪,Zeiss,Koni007,自动安平水准仪,35,2-4,水准测量的方法及成果处理,一、水准点和水准路线,（一）水准点,埋设在永久、固定的地点,36,（二）水准路线,1,、支水准路线,2,、闭合水准路线,3,、附合水准路线,37,二、水准测量方法,（一）两次仪器高法,已知,H,A,，求,H,B,a,1,b1,a,2,b,2,h,1,=a,1,-b,1,h,2,=a,2,-b,2,h,1,-h,2,=f=,5mm,38,水准测量记录（两次仪器法）,39,（二）双面尺法,已知,H,A,，求,H,B,a,1,b1,a,2,b,2,h,1,=a,1,-b,1,h,2,=a,2,-b,2,h,1,-h,2,=f=,5mm,40,水准测量记录（双面尺法）,41,三、水准测量成果整理,A,1,2,3,B,+2.331m,1.6km,+2.813m,2.1km,-2.244m,1.7km,+1.430m,2.0km,H,A,=45.286m,H,B,=49.579m,(,一）、高差闭合差计算,0,闭合水准,H,B,H,A,=H,终,-H,始,附合水准,无,支水准,支水准路线无闭合差，所以采用往、返测量,42,三、水准测量成果整理,A,1,2,3,B,+2.331m,1.6km,+2.813m,2.1km,-2.244m,1.7km,+1.430m,2.0km,H,A,=45.286m,H,B,=49.579m,(,一）高差闭合差计算,高差闭合差的允许值,L-,以公里为单位,43,三、水准测量成果整理,A,1,2,3,B,+2.331m,1.6km,+2.813m,2.1km,-2.244m,1.7km,+1.430m,2.0km,H,A,=45.286m,H,B,=49.579m,（二 ）高差闭合差的分配,44,水准测量成果整理,45,2-5,水准仪的检验与校正,(,一,),水准仪的主要轴线,望远镜视准轴,水准管轴,纵轴,圆水准轴,一、,水准仪的主要轴线,及满足的条件,46,视准轴,：十字丝分划中心与物镜光心的连线。,水准管,轴,:,经过,水准管零点的,切,线,纵轴,:,仪器旋转轴,圆水准轴,:,经过圆,水准管零点的,法,线,47,）圆水准器轴平行于仪器纵轴,LLVV,）,十字丝的横丝,垂直于纵轴,）水准管轴平行于视准轴,LLCC,LLVV,LLCC,(,二,),水准仪满足的条件,48,二、水准仪检验与校正,（一）圆水准器轴平行于仪器纵轴的检验与校正,误差的影响：,不影响读数，但使纵轴倾斜，影响操作速度,1,、检验：（如何发现误差？）,a),以圆水准器为准（气泡居中）安置仪器的纵轴,b),把,仪器连带水准器绕纵轴旋转,180,度。如果气泡仍然居中，则水准器轴平行仪器纵轴。否则，水准器轴不平行仪器纵轴。,49,2,、校正,：,（如何减少误差？）,（气泡移动量一半所表示的倾斜度就是纵轴的倾斜度。）,动校正螺丝，使气泡返回移动量的,一半,。,重复上述检验和校正一、二次，使该这误差尽可能小。,L,V,50,(,二,),十字丝的横丝垂直于纵轴,1,、检验：,用圆水准器使纵轴垂直后，用十字丝的横丝照准某一清晰目标。用微动螺旋转动望远镜，如果十字丝的横丝一直不离开目标，则无误差。否则要校正。,2,、校正：,松开十字丝的固定螺丝，转动十字丝。,51,(,三,),水准管轴平行于视准轴,影响,： 如果水准管轴不平行视准轴（其夹角为,),，则读数误差有,则此误差对高差的影响为,检验,：,在正常视线长,2,倍的两端固定两根水准尺，其间距为,2S,。,仪器架于中点，测量两端点的高差作为标准值,把仪器移至一个端点，再测量两端点的高差,52,(,三,),水准管轴不平行视准轴,如果,h,2,=h,表明水准管轴不平行视准轴，引起远尺上读数有误差，以至,h,2,有误差。至于近尺上的读数，由于距离很小，受水准管轴不平行视准轴误差的影响很小，可以忽略。,校正：,转动倾斜螺旋，使望远镜视准轴对准远尺正确的读数。,这时水准管轴随着也倾斜了。用水准管的校正螺丝使气泡重新居中。,53,水准管的校正螺丝像片,水准管,的一端,水准管的,校正螺丝,54,（,2,）校正,3,（,2,）校正,方法,1,：,校正水准管,a.,计算,A,尺水平视线读数：,a,2,=b,2,+h,b.,转动微倾螺旋，使横丝瞄准读数,a,2,：,CC,水平,c.,校正水准管气泡居中：,LL,水平（,LL / CC,）,d.,重复检验直至符合要求。,55,方法,2,：,校正十字丝环,2,1,3,4,十字丝环,校正螺丝,十字丝环,校正螺丝,方法,2,：,校正十字丝,b.,调整十字丝环上、下校正螺丝，使横丝对准读数 即,CC,水平，从而,LL / CC,。,a.,保持水准管气泡居中即,LL,水平；卸下,望远镜目镜罩,56,水准管的校正螺丝像片,望远镜目镜罩,57,（一）精密水准尺,水准尺：因瓦钢,+,分划式,2-6,精密水准仪和电子水准仪,一、精密水准仪和水准尺,58,2-6,精密水准仪和电子水准仪,格值小,(=710),，,气泡长、大，符合精度高；,望远镜放大倍率高（,3040,），瞄准精度高（,15/V,）,微动螺丝精细，望远镜微倾对高度的影响小,（二）精密水准仪,读数：瞄准,+,平行玻璃板,+,测微分划尺,59,精密水准仪和水准尺,水准尺：因瓦钢,+,分划式,读数：瞄准,+,平行玻璃板,+,测微分划尺,60,精密水准仪、水准尺,WILD N3,、,精密水准尺,WILD N3,精密,自动安平水准仪,精,密,水,准,尺,61,精密水准仪读数图,读数：,197150,测微器,读数窗,水准器,视窗,楔型丝,62,平行玻璃板测微装置,平行玻璃板测微装置,测微器结构与测微原理,转动测微螺旋，改变平行玻璃板的倾斜角度，可使,视线作上、下平移，平移量在测微分划尺上读取。,63,三,.,电子水准仪,二、,电子水准仪,也称,“,数字水准仪,”,具有自动安平功能。,自动显示水平视线读数和视距。,通过物镜获取水准尺图象，通过,仪器的处理系统，将图象信息转,换成数字显示。,能与计算机实现数据通讯。,基本避免了人为的观测误差（视,差、水准器精平误差、瞄准误差、,估读数误差。,64,电子水准仪图,电子水准仪图,条,码,尺,测量键,65,电子水准仪的瞄准,要求竖丝,位于条码,带上,电子水准仪的瞄准,66,2-7,水准测量的误差分析,测量误差主要有三种,：,仪器误差,操作误差,外界的影响,其它,水准测量也具有这些误差,水准测量的仪器误差,）圆水准器轴不平行仪器纵轴,LLVV,）,十字丝的横丝不水平,）水准管轴与视准轴不平行,LLCC,67,一、水准测量的操作误差,（,1,）气泡居中不准引起的误差,（,2,）水准尺倾斜引起的误差,（,3,）瞄准和读数的误差,分析讨论：,（,1,）设气泡居中不准引起的读数误差为 则,68,（,2,）水准尺倾斜引起的误差,水准尺倾斜引起的读数误差 与水平视线离尺底的高度,h,，,尺子的倾斜度 ，以及尺底的厚度,b,和尺子安放的情况有关。,对策,精密水准测量时，尺上要装水准器,普通水准测量时,尽量把尺扶直或,扶尺员慢慢地把尺前后摇动，观察员取尺上最小的读数,69,（,3,）瞄准和读数的误差,对于区格式的水准尺，最小一位读数是估读的。一般说来估读的误差约为,1,毫米。,十字丝粗约为,0.005,毫米。望远镜物镜焦距约为,300,毫米。当,S=60m,时，投影在尺面上十字丝的象粗为,所以当视线长度大于,60,米时，读数误差会增加。,70,二、外界条件对水准测量的影响,（,1,）地球曲率的影响,（,2,）大气折光的影响,（,3,）大气抖动的影响,（,4,）温度对仪器的影响,71,（,1,）地球曲率的影响,工作时水准仪的视准轴是水平直线，而大地水准面是曲面。由此，在读数中,就有误差,当,S=100,米时，,对策：,如果前视水准尺和后视水准尺到测站的距离相等，则在前视读数和后视读数中含有相同的差值 。这样在高差中就没有这误差的影响了。因此，放测站时要争取,“,前后视相等,”,72,（,2,）大气折光的影响,接近地面的空气温度不均匀，所以空气的密度也不均匀。光线在密度不匀的介质中沿曲线传布。这称为,“,大气折光,”,。,总体上说，白天近地面的空气温度高，密度低，弯曲的光线凹面向上；,晚上近地面的空气温度低，密度高，弯曲的光线凹面向下。,接近地面的温度梯度大大气折光的曲率大,由于空气的温度不同时刻不同的地方一直处于变动之中。所以很难描述折光的规律。,对策：,避免用接近地面的视线工作,尽量抬高视线,用前后视等距的方法进行水准测量,73,（,3,）大气抖动的影响,除了规律性的大气折光以外，还有不规律的部分：白天近地面的空气受热膨胀而上升，较冷的空气下降补充。因此，这里的空气处于频繁的运动之中，形成不规则的湍流。湍流会使视线抖动，从而增加读数误差。,对策：,夏天中午一般不做水准测量,在沙地，水泥地,湍流强的地区，一般只在上午,10,点之前作水准测量。高精度的水准测量也只在上午,10,点之前进行。,74,（,4,）温度对仪器的影响,温度会引起仪器的部件涨缩，从而可能引起视准轴的构件（物镜，十字丝和调焦镜）相对位置的变化，或者引起视准轴相对与水准管轴位置的变化。由于光学测量仪器是精密仪器，不大的位移量可能使轴线产生几秒偏差，从而使测量结果的误差增大。,不均匀的温度对仪器的性能影响尤其大。例如从前方或后方日光照射水准管，就能使气泡,“,趋向太阳,”,-,水准管轴的零位置改变了。,对策：,仪器制作时采取保护措施：如,Zeiss004,在望远镜筒外面还有一个保护筒。量筒之间静止的空气起隔热作用,精密水准测量时必须撑伞,精密水准仪从箱中拿出来后要静置半小时后再开始工作,避免日光直接照射水准管,75,（,5,）其他影响,转点的唯一性问题：,水准测量常需多次设站把高程传递到待定点。为此必须利用转点。在转点上水准尺有二次工作状态。必须保证转点状态不变。,土质松软转点会下沉,平坦的硬质路面上立尺会因尺子倾斜状态不同引起高度变化,水准仪架在松软的土质上也有下沉的可能,对策：,选择有棱角的硬物做转点,携带专用的测垫或测桩做转点,采用,“,时间对称,”,的工作流程，削弱,“,随时间而变化的因素,”,对测量成果的不良影响。,如水准测量采用,“,前,-,后,-,后,-,前,”,的流程,76,